形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金（SMA）丝驱动型仿生蝠鲼机 器鱼．首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型．然后对能够模仿蝠 鲼肌肉动作的智能材料进行了分析．最后设计了SMA 丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA 丝 的热力学特性,确定了控制规律．该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔 性仿生胸鳍,直线游动速度达到79 mm/s,最小转弯半径为118 mm．该机器鱼游动稳定性好,无噪声．     

仿鲹科机器鱼的倒退游动控制

给出了一种新型的仿鲹科机器鱼倒退游动控制方法. 在已有多关节仿鲹科机器鱼的基础上, 仿照欧洲鳗鱼的倒退运动机理, 修正机器鱼尾部关节的摆动规律, 进而实现倒游运动. 给出鲹科机器鱼游动的定性分析, 用于分析仿鲹科机器鱼推进机理和倒退游动的方法. 组合其他运动, 实现倒退游动、倒游中转弯等运动. 通过实验, 给出了机器鱼摆动频率和倒退运动速度之间的关系, 验证了本文所提方法的有效性.     

基于CFD的仿鲹科机器鱼动力学建模与运动控制

仿生机器鱼的运动控制是仿生机器鱼推广应用的基础;然而,仿鲹科机器鱼的推进一般采用鱼体波数据,很少采用真实鱼类游动数据;为了深入探究仿鲹科机器鱼运动控制方法,采用了计算流体力学方法,通过标定流体介质、来流速度、鱼体几何形状等措施,利用Fluent软件进行了建模,然后针对鱼体波数据和真实金枪鱼游动采样数据两种不同推进数据对仿生机器鱼进行了仿真和实验;结果表明对于多关节仿生机器鱼推进方面,真实金枪鱼游动采样数据相较于常见的鱼体波产生的推进数据,在躯干进行大幅值摆动的情况下效果更好;这一仿真和实验对比为仿鲹科机器鱼的高效运动控制提供了一种新思路。     

仿生机器鱼的设计及其运动控制研究

本文基于简化的鲹科鱼类的运动学模型,采用多关节的驱动方式和一种多电机的角度控制算法对机器鱼进行运动控制,并通过实验得到了验证,同时,为机器鱼设计了传感器网络,并运用智能避障的方法,使机器鱼具备一定的自主能力。     

微小型仿生机器鱼设计与实时路径规划

提出一种结构紧凑, 运动灵活, 装配多传感器, 可自主游动的微小型仿生机器鱼系统设计方案. 在仿鲹科加月牙尾模式鱼类运动研究的基础上, 给出了微小型机器鱼推进、转弯等运动的控制方法. 结合运动控制和传感器信息处理, 给出了基于红外传感器的自主避障算法和基于光敏传感器的主动趋光算法, 进而提出了基于这两种传感器信息感知的动态光源跟踪方法. 通过实验, 给出了机器鱼尾部摆动频率、幅度和运动速度之间的关系, 验证了机器鱼追踪动态光源算法, 表明了本文所提系统设计方案和算法的有效性.     

单驱动仿生机器鱼加速-滑行动态特性的数值研究

通过变截面悬臂梁受迫振动响应模拟鱼体变形,设计了单驱动仿生机器鱼.建立了机器鱼自主游动中变形体耦合动力学方程,运用数值仿真研究的方法探讨了其"加速-滑行"游动模式的动力特性.发现可以通过加速时间和滑行时间的组合得到更高的游动效率,拓展了机器鱼的高效运动控制模式.     

两类仿鲹科机器鱼倒游运动控制方法的对比研究

给出并比较了两类分别采用鱼体波动方程和中枢模式发生器（Central pattern generator,CPG）控制仿鲹科机器鱼倒游运动的方法.前者主要通过修改鱼体波动方程、颠倒机器鱼各个关节的控制规律来实现 鱼体倒游;后者则基于CPG模型,产生各个关节的节律控制信号.基于CPG的倒游方法可进一步细分为两种:1） 相位颠倒的CPG控制方法,即通过逆转CPG控制机器鱼直游的相位关系;2） 相位-幅值颠倒的CPG控制方法,即通过逆转鱼体波的传播方向和摆动幅值来实现机器鱼倒游.文中针对这两大类、三种机器鱼倒游运动控制方法 进行了分析、仿真和实验.实验结果表明:在相同参数配置下,采用相位颠倒的CPG控制方法产生的倒游速度最大,但游动对水的扰动也最大;而采用鱼体波倒游和相位-幅值颠倒的CPG控制方法时,两者产生的最大倒游速度相差不大,扰动较小.此外,采用鱼体波倒游方法在频率切换时会有抖动现象,需要设计专门的过渡函数来消除;而采用CPG模型的方法 则可以实现平滑过渡.上述结果对提高水下游动机器人的机动性能具有重要的指导意义.     

基于微舵机控制的仿生鱼设计与实验分析

设计了微舵机控制的仿生鱼,结合鱼胸鳍和鱼尾鳍的配合动作,完成一系列的游弋动作。其中根据鱼类"波动推进理论"的游动机理,实现仿生鱼的前进、转弯运动;根据鱼类"胸鳍法理论"实现上浮、下潜运动;提出加减速游动方案,通过修改X值的方法,实现仿生鱼的加减速游。组装并进行水上模拟实验和水下实际实验,调试仿生鱼的各动作协调性,分析仿生鱼在水中的静态平衡和动态平衡问题。     

一种2自由度胸鳍推进机构设计与动力学分析

以箱鲀为仿生对象,设计了一种两侧胸鳍对称布置,单侧2自由度胸鳍能够实现摇翼运动、前后拍翼运动以及两者复合运动的仿生机器鱼,建立了其利用"划水模式"推进的水动力学模型,通过数值方法给出了胸鳍摆动周期、幅值以及初始角的变化与直线游动速度之间的关系,实验结果验证了其有效性.在此基础上,确定了所设计仿生机器鱼采用"划水模式"推进时的直线游动模态.研究结果表明,胸鳍"划水模式"推进的仿生机器鱼具有较高的效率和运动速度.     

柔性长鳍波动仿生推进器的波动控制研究

波动仿生推进器是以"尼罗河魔鬼"为仿生对象设计的新型水下推进装置.它依靠柔性长鳍的波动运动来实现载体的前进、后退、制动等各种机动动作.针对柔性长鳍特有的波动控制问题,本文分析了柔性长鳍的运动模型,并设计了一种分布式控制系统结构.在此基础上,提出了一种具有一定自适应能力的模糊协调控制系统.它将模糊控制器和自适应单元相结合,解决了不确定环境下柔性长鳍的波动控制问题.水池试验结果表明了控制系统的有效性.     

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性,选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究,对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析,同时对鱼鳍的结构进行简化．基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍．介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路．重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力;并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律．将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较,验证了数值仿真的合理性和正确性．通过上述分析,说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的．     

A Computational Fluid Dynamics （CFD） Analysis of an Undulatory Mechanical Fin Driven by Shape Memory Alloy

Many fishes use undulatory fin to propel themselves in the underwater environment. These locomotor mechanisms have a popular interest to many researchers. In the present study, we perform a three-dimensional unsteady computation of an undulatory mechanical fin that is driven by Shape Memory Alloy (SMA). The objective of the computation is to investigate the fluid dynamics of force production associated with the undulatory mechanical fin. An unstructured, grid-based, unsteady Navier-Stokes solver with automatic adaptive remeshing is used to compute the unsteady flow around the fin through five complete cycles. The pressure distribution on fin surface is computed and integrated to provide fin forces which are decomposed into lift and thrust. The velocity field is also computed throughout the swimming cycle. Finally,a comparison is conducted to reveal the dynamics of force generation according to the kinematic parameters of the undulatory fin (amplitude, frequency and wavelength).     

基于功能材料的柔性多关节水下仿鱼形推进器设计及分析

分析了当前的智能材料用于仿鱼类肌肉组织的可行性．设计了四关节柔性水下仿鱼形推进器,给出了控制流程图,建立了运动学方程．深入地分析了仿鱼形推进器存在的游动不稳现象及其产生原因,并给出几种提高稳定性的方案．分别测试了迎水面形状对称与否、有无附加鳍以及附加鳍位置对稳定性的影响．最后,通过比较实验证明了此方案对提高柔性多关节水下仿鱼形推进器的游动稳定性是可行的．     

Locomotion and depth control of robotic fish with modular undulating fins

This paper presents an environmental-friendly robotic system mimicking the undulating fins of a fish. To mimic the actual flexible fin of real fish, a fin-like mechanism with a series of connecting linkages is modeled and attached to the robotic fish, by virtue of a specially designed strip. Each link is able to turn and slide with respect to the adjacent link. These driving linkages are then used to form a mechanical fin consisting of several fin segments, which are able to produce undulations, similar to those produced by the actual fish fins. Owing to the modular and re-configurable design of the mechanical fin, we are able to construct biomimetic robotic fish with various swimming modes by fin undulations. Some qualitative and workspace observations by experiments of the robotic fish are shown and discussed.     

基于人工肌肉的仿生机器鱼关节机构设计与力学分析

在深入分析活鱼解剖结构的基础上,设计了一种人工肌肉驱动的鱼关节结构,介绍了形状记忆合金(SMA)人工肌肉元件的设计方法．对鱼的尾鳍摆动进行了力学建模,并加以简化．基于摆动过程的力矩平衡方程,对SMA驱动力矩与阻力矩、流体阻尼力矩及机构（流体）惯性力矩进行了分析,建立了各个参数之间的定量关系式．通过数据验证了模型的可靠性,为仿生机器鱼的研究提供了参考依据．     

A multilink active catheter with polyimide-based integrated CMOSinterface circuits

This paper describes an active catheter with flexible polyimide-based integrated CMOS interface circuits for communication and control (C&C IC) to be used for applications in biomedicine. The active catheter has a multilink structure. Distributed micro shape memory alloy (SMA) coils are utilized as actuators for multidegree of freedom movement. The C&C IC's, which are incorporated on the links, require three common lead wires to address all the links and control the selected SMA actuators in the active catheter. An MOS transistor with large channel width is used for switching the SMA actuator. To reduce the system size and simplify the assembly work, the C&C circuit and three lead wires are fabricated on the same substrate using CMOS-compatible polyimide-based process. The outer diameter of the fabricated active catheter is approximately 2.0 mm. The fabricated active catheter has a four-link structure and six degrees of freedom of movement per one link. A simple bending model of one unit is presented and compared with the experiments. The fabricated C&C IC measures 1.0 mm×3.35 mm×0.2 mm. The link addressing and the actuator switching functions of the fabricated chip were confirmed. The minimum access time for addressing and actuating a single unit was 6.4 μs. The active catheter was actuated by the fabricated C&C IC chip with flexible interconnect leads in response to the C&C signals from the outside controller     

SMA丝驱动的手指康复机器人设计及实验研究

为了研制一种轻便、可穿戴的仿生手指康复机器人,在分析手指肌肉骨骼生物参数及致动机理的基础上,设计了一种形状记忆合金丝(Shape Memory Alloy, SMA)驱动的软体柔性手指康复机器人,建立了其运动学和力学模型。以手套为结构设计的原型,通过控制SMA丝的收缩来模拟手指肌肉肌腱的收缩,从而实现辅助手指屈曲伸展运动的功能。试验研究了手指康复机器人的运动性能和抓握性能。试验结果表明,手指柔性康复机器人最大弯曲角度接近正常人手关节角度,最大指尖力可达18N,能完成日常所需的屈曲伸展以及抓握功能。     

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理．为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度,理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差．给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系,同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态．最后,通过实验验证了理论推导的正确性．